JP6499311B2 - Light guide system for physiological sensors - Google Patents
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Description
1つまたは複数のエミッタ及び検出器に基づく心拍数センサなどの生理学的センサが、健康及び運動の監視に使用するために開発されている。これらのセンサは、着用者の皮膚に近接して、または着用者の皮膚に対して位置決めするためのイヤホンまたは他の着用可能な形態に統合されることがある。このような装置は、移動中または運動中に着用者に不快感を生じさせることが多く、周囲光のために性能が低下する可能性がある。 Physiological sensors such as heart rate sensors based on one or more emitters and detectors have been developed for use in health and exercise monitoring. These sensors may be integrated into earphones or other wearable forms for positioning in proximity to or against the wearer's skin. Such devices often cause discomfort to the wearer during movement or exercise and can degrade performance due to ambient light.
一態様では、エミッタ及び検出器を有する生理学的センサのためのライトガイドシステムは、一対の光チャネルを含む。光チャネルの各々は、生体適合性の弾性プラスチックで形成され、着用者の皮膚と接触するように構成される。光チャネルの1つはエミッタと光通信し、もう1つの光チャネルは検出器と光通信する。生体適合性の弾性プラスチックは、エミッタの光エネルギーを透過させ、周囲光を実質的に遮断する光透過スペクトルを有する。 In one aspect, a light guide system for a physiological sensor having an emitter and a detector includes a pair of light channels. Each of the light channels is formed of a biocompatible elastic plastic and is configured to contact the wearer's skin. One of the optical channels is in optical communication with the emitter and the other optical channel is in optical communication with the detector. The biocompatible elastic plastic has a light transmission spectrum that transmits the light energy of the emitter and substantially blocks ambient light.
ライトガイドシステムの実施形態は、以下の特徴の1つ、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。光透過スペクトルは、エミッタの光スペクトルの最短波長がロングパス光学フィルタの遷移波長よりも大きいロングパス光学フィルタを画定し得る。生体適合性弾性プラスチックは、染色されたシリコーンであり得る。光チャネルは、リストバンド、指バンド、腕時計、チェストストラップ、アームバンド、ネックレスまたはイヤホン用のイヤーチップなどの異なる構造にすることができる。 Embodiments of the light guide system can include one of the following features, or any combination thereof. The light transmission spectrum may define a long pass optical filter in which the shortest wavelength of the emitter's light spectrum is greater than the transition wavelength of the long pass optical filter. The biocompatible elastic plastic can be dyed silicone. The optical channel can be different structures such as wristbands, finger bands, watches, chest straps, armbands, necklaces or ear tips for earphones.
別の態様において、生理学的センサは、センサ本体、エミッタ、検出器、プロセッサ、及び一対の光チャネルを含む。エミッタは、センサ本体内に配置され、着用者の皮膚に光ビームを照射するように構成される。検出器は、センサ本体内に配置され、着用者の照射された皮膚から光エネルギーを受け取り、受け取った光エネルギーに応じて電気信号を生成するように構成される。プロセッサは、検出器と通信し、電気信号に応答して着用者の生理学的データを決定するように構成される。各光チャネルは、生体適合性の適合可能なプラスチックで形成され、着用者の皮膚と接触するように構成される。光チャネルの1つはエミッタと光通信し、もう1つの光チャネルは検出器と光通信する。生体適合性の適合性プラスチックは、エミッタの光エネルギーを透過し、周囲光を実質的に遮断する光透過スペクトルを有する。 In another aspect, the physiological sensor includes a sensor body, an emitter, a detector, a processor, and a pair of light channels. The emitter is disposed within the sensor body and is configured to irradiate the wearer's skin with a light beam. The detector is disposed within the sensor body and is configured to receive light energy from the irradiated skin of the wearer and generate an electrical signal in response to the received light energy. The processor is configured to communicate with the detector and determine the wearer's physiological data in response to the electrical signal. Each light channel is formed of a biocompatible compatible plastic and is configured to contact the wearer's skin. One of the optical channels is in optical communication with the emitter and the other optical channel is in optical communication with the detector. The biocompatible compatible plastic has a light transmission spectrum that transmits the light energy of the emitter and substantially blocks ambient light.
生理学的センサの実施形態は、上記及び/または以下の特徴のうちの1つ、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。エミッタは、発光ダイオードであり得る。生理学的センサは、イヤホンに取り付け可能であり、一対の光チャネルが配置されているイヤーチップをさらに含むことができる。センサ本体は、リストバンド、指バンド、腕時計、チェストストラップ、アームバンド、ネックレスまたはイヤホンであり得る。 Physiological sensor embodiments may include one of the above and / or the following features, or any combination thereof. The emitter can be a light emitting diode. The physiological sensor can further include an ear tip that is attachable to the earphone and in which a pair of light channels are disposed. The sensor body can be a wristband, finger band, watch, chest strap, armband, necklace or earphone.
別の態様では、生理学的センサのためのライトガイドシステムは、エミッタ、検出器及びイヤーチップを含む。エミッタは、着用者の皮膚に光ビームを照射するように構成される。検出器は、着用者の照射された皮膚から光エネルギーを受け取り、受け取った光エネルギーに応じて電気信号を生成するように構成される。イヤーチップは、イヤーチップ本体と、イヤーチップ本体に一体成形された一対の光チャネルと、を有する。各光チャネルは、生体適合性の弾性プラスチックで形成され、着用者の皮膚と接触するように構成される。光チャネルの1つはエミッタと光通信し、もう1つの光チャネルは検出器と光通信する。生体適合性の弾性プラスチックは、エミッタの光エネルギーを透過させ、周囲光を実質的に遮断する光透過スペクトルを有する。 In another aspect, a light guide system for a physiological sensor includes an emitter, a detector, and an ear tip. The emitter is configured to irradiate the wearer's skin with a light beam. The detector is configured to receive light energy from the irradiated skin of the wearer and generate an electrical signal in response to the received light energy. The ear tip includes an ear tip body and a pair of optical channels formed integrally with the ear chip body. Each light channel is formed of a biocompatible elastic plastic and is configured to contact the wearer's skin. One of the optical channels is in optical communication with the emitter and the other optical channel is in optical communication with the detector. The biocompatible elastic plastic has a light transmission spectrum that transmits the light energy of the emitter and substantially blocks ambient light.
生理学的センサのためのライトガイドシステムの実施形態は、上記及び/または以下の特徴の1つ、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。光透過スペクトルは、エミッタの光スペクトルの最短波長がロングパス光学フィルタの遷移波長よりも長いロングパス光学フィルタを画定することができる。生体適合性弾性プラスチックは、染色されたシリコーンであり得る。 Embodiments of a light guide system for a physiological sensor can include one of the above and / or the following features, or any combination thereof. The light transmission spectrum can define a long pass optical filter in which the shortest wavelength of the light spectrum of the emitter is longer than the transition wavelength of the long pass optical filter. The biocompatible elastic plastic can be dyed silicone.
以下の説明では、添付の図面を参照する。図面において、同様の参照符号は、様々な図における同様の要素及び特徴を示す。明確にするために、すべての要素がすべての図においてラベルされるわけではない。図面は特定の原則を説明することに重点を置いており、必ずしも一定の縮尺ではない。 In the following description, reference is made to the accompanying drawings. In the drawings, like reference numbers indicate like elements and features in the various figures. For clarity, not all elements are labeled in every figure. The drawings focus on explaining specific principles and are not necessarily to scale.
本明細書で使用される用語は、特定の例及び実施形態を説明するためのものであり、限定することを意図するものではない。本明細書中で使用される全ての用語は、本明細書中で他に定義されない限り、当業者により一般的に理解されるものと同じ意味を有する。 The terminology used herein is for the purpose of describing particular examples and embodiments and is not intended to be limiting. All terms used in this specification have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art unless otherwise defined herein.
「生理学的」という用語は、ヒトまたは動物の身体の機能の特徴を指す。本明細書で使用される「皮膚」という用語は、一般にヒトまたは動物の皮膚を指し、耳の内部及び外部の特徴部の表面を含む。「生体適合性」材料とは、皮膚と接触したときに実質的に悪影響を示さない任意の材料を意味する。例えば、生体適合性材料は、皮膚に対して毒性がなく、研磨性もなく、皮膚に対して化学的に不活性であり、非アレルギー性であり、ヒトまたは動物に不快感を引き起こさない。 The term “physiological” refers to a characteristic of the function of the human or animal body. As used herein, the term “skin” generally refers to human or animal skin and includes the surface of internal and external features of the ear. By “biocompatible” material is meant any material that does not substantially adversely affect when in contact with the skin. For example, biocompatible materials are not toxic to the skin, are not abrasive, are chemically inert to the skin, are non-allergenic, and do not cause discomfort in humans or animals.
本明細書で使用される「センサ」という用語は、エネルギー(例えば、熱、光、音等)を検出または感知し、パラメータ(例えば、温度、強度、音圧、及び圧力等)に応答する信号を生成する装置を指す。例えば、光センサは、光エネルギーを検出し、センサに入射する光のパラメータ(例えば、強度)に応答する信号を生成することができる。以下に説明されるいくつかの例では、センサは、光エネルギーを生成するためのエミッタと、光エネルギーを検出するための検出器と、を含むコンポーネントの組み合わせを含む。 As used herein, the term “sensor” is a signal that detects or senses energy (eg, heat, light, sound, etc.) and responds to parameters (eg, temperature, intensity, sound pressure, pressure, etc.). Refers to a device that generates For example, the optical sensor can detect light energy and generate a signal that is responsive to a parameter (eg, intensity) of light incident on the sensor. In some examples described below, the sensor includes a combination of components including an emitter for generating light energy and a detector for detecting light energy.
本明細書で使用される「モニタ」は、検出されたパラメータを監視または観察するための装置を指す。以下に説明されるいくつかの実施形態及び実施例では、モニタはセンサを含み、センサによって生成された信号に基づいて、観察または聞くことができるディスプレイまたはオーディオ信号などの出力を生成する。 As used herein, “monitor” refers to a device for monitoring or observing detected parameters. In some embodiments and examples described below, the monitor includes a sensor and generates an output, such as a display or audio signal, that can be viewed or heard based on the signal generated by the sensor.
「本体」という用語は、通常、物体または構造体を指す。本体は、1つ以上のコンポーネントが身体の内部に配置される(例えば、身体内に埋め込まれるか、体腔に配置される)、身体の表面上に配置される、または、締結具またはコネクタを使用して、または複数の介在構造を介して身体に取り付けられることを可能にする特徴部を含み得る。 The term “body” typically refers to an object or structure. The body is placed on the surface of the body where one or more components are placed inside the body (eg, embedded in the body or placed in a body cavity) or using fasteners or connectors Or may include features that allow it to be attached to the body via a plurality of intervening structures.
「イヤホン」という用語は、少なくとも部分的に耳に挿入可能なイヤホンを指す。イヤホンには、キャナルホーンや同様の装置も含まれる。「イヤーチップ」という用語は、「イヤホンチップ」という用語と同義語であり、イヤホンの本体に取り付けることができる取り外し可能で交換可能なコンポーネントを指す。イヤーチップは外耳道を周囲の音から密封するために使用される。 The term “earphone” refers to an earphone that is at least partially insertable into the ear. Earphones include canal horns and similar devices. The term “ear tip” is synonymous with the term “earphone tip” and refers to a removable and replaceable component that can be attached to the body of the earphone. Ear tips are used to seal the ear canal from ambient sounds.
一般の人々のための生理学的モニタは近年普及している。これらのモニタは、リストバンドのようなウェアラブルフィットネストラッキング装置の形態であることが多く、または追加の機能を提供する装置に統合され得る。生理学的モニタのためのセンサは、手首、胸部、指、腕及び首を含む体の様々な場所のいずれかに装着され得る。具体的な例には、着用者が心拍数を監視しながら、オーディオ出力または着用者に時間表示を行うという主要機能を果たすことを可能にする心拍数センサを有するイヤホン及び腕時計が含まれる。 Physiological monitors for the general public have become popular in recent years. These monitors are often in the form of wearable fitness tracking devices such as wristbands or can be integrated into devices that provide additional functionality. Sensors for physiological monitors can be worn at any of a variety of locations on the body including the wrist, chest, fingers, arms and neck. Specific examples include earphones and watches that have a heart rate sensor that allows the wearer to perform the primary function of monitoring the heart rate while providing audio output or time display to the wearer.
1つのタイプの心拍数センサは、発光ダイオード(LED)のような1つ以上の光学エミッタからの光が着用者の皮膚を照射する光学技術に基づいている。光の一部は照射された皮膚から反射され、一方、光の一部は皮膚の表面の下に通過して静脈、動脈、毛細血管などの血管構造を含む組織の中に到達する。皮膚表面の下から後方散乱される光の大部分は、典型的には時間不変である。しかしながら、血液からの後方散乱光の強度は、典型的には時間とともに変化する。この時間変動は、各パルスの酸素化変動による血液の光吸収スペクトルの変化によって引き起こされる。強度変動はまた、各パルスの間に光に露出する血液量の変化に基づき得る。光検出器は、後方散乱光の一部を受け取り、一定(DCレベル)成分及び時間変動(ACレベル)成分を有する信号を生成する。信号は、まず、前処理のためにアナログフロントエンド(AFE)に供給されるか、または、信号の時間変動成分の優勢な周波数から着用者の心拍数を決定するプロセッサに直接供給される。 One type of heart rate sensor is based on optical technology in which light from one or more optical emitters such as light emitting diodes (LEDs) illuminate the wearer's skin. Some of the light is reflected from the irradiated skin, while some of the light passes under the surface of the skin and reaches into tissues that contain vascular structures such as veins, arteries, capillaries. The majority of light backscattered from beneath the skin surface is typically time invariant. However, the intensity of backscattered light from blood typically varies with time. This time variation is caused by a change in the light absorption spectrum of blood due to the oxygenation variation of each pulse. Intensity variations can also be based on changes in blood volume exposed to light during each pulse. The photodetector receives a portion of the backscattered light and generates a signal having a constant (DC level) component and a time-varying (AC level) component. The signal is first supplied to an analog front end (AFE) for preprocessing or directly to a processor that determines the wearer's heart rate from the dominant frequency of the time-varying component of the signal.
心拍数センサは、信号の時間変動成分が重要である体の位置に装着され得る。心拍数センサは、通常、少なくとも1つのLEDエミッタと、1つ以上の光検出器とを有する。エミッタ及び検出器は、典型的には、センサ本体の内部または上に配置される。例えば、センサ本体はイヤホンであり得る。エミッタからセンサ本体の表面に延在する第1の領域と、検出器からセンサ本体の表面に延在する第2の領域とは、典型的には、ポリカーボネートのような硬質プラスチックで形成され、赤外(NIR)スペクトル及び可視スペクトルの少なくとも一部を含む。通常、2つの領域は、2つの領域間の光の直接通過を防止する不透明領域によって互いに分離される。いくつかの例では、硬質プラスチックはセンサ本体の表面を越えて延在し、皮膚と直接接触するように構成される。プロセッサは、典型的には、センサ本体の遠隔に配置され、1つ以上のワイヤを有するケーブルを介してセンサと電気通信している。 The heart rate sensor can be worn at a body location where the time-varying component of the signal is important. A heart rate sensor typically has at least one LED emitter and one or more photodetectors. The emitter and detector are typically located within or on the sensor body. For example, the sensor body can be an earphone. The first region extending from the emitter to the surface of the sensor body and the second region extending from the detector to the surface of the sensor body are typically formed of a hard plastic such as polycarbonate and are red. Includes at least part of the outer (NIR) spectrum and the visible spectrum. Usually, the two regions are separated from each other by an opaque region that prevents direct passage of light between the two regions. In some examples, the hard plastic extends beyond the surface of the sensor body and is configured to be in direct contact with the skin. The processor is typically located remotely from the sensor body and is in electrical communication with the sensor via a cable having one or more wires.
イヤホン内の心拍数センサは、耳の照射された皮膚からオフセットされ得、これにより、エミッタからの光エネルギーの多くが、エアギャップ内の減衰を介して、かつ、耳組織と空気との界面、及び、硬質プラスチックと空気の界面の屈折率不連続部での反射によって失われる。信号のACレベル成分、すなわち検出器に入射する変調された光エネルギーの信号対雑音比(SNR)は、光エネルギーの損失の増加に従って低下する。心拍数モニタ及び皮膚の光照射に基づく他の生理学的モニタ及び後方散乱及び反射光の検出は、運動または他の身体活動中にさらに悪影響を受ける可能性がある。より具体的には、着用者が動いているとき、皮膚に対するエミッタ及び検出器の位置が変化し得る。例えば、着用者の耳内のイヤホンの位置は、走行中または他の形態の運動中に頻繁にシフトし得る。 The heart rate sensor in the earphone can be offset from the irradiated skin of the ear, so that much of the light energy from the emitter is via attenuation in the air gap and the interface between the ear tissue and air, And lost due to reflections at the refractive index discontinuities at the hard plastic-air interface. The AC level component of the signal, ie the signal to noise ratio (SNR) of the modulated light energy incident on the detector, decreases with increasing light energy loss. Heart rate monitors and other physiological monitors based on skin illumination and detection of backscatter and reflected light can be further adversely affected during exercise or other physical activity. More specifically, the position of the emitter and detector relative to the skin can change when the wearer is moving. For example, the position of the earphone in the wearer's ear may frequently shift during travel or other forms of exercise.
空気を通る光の透過による光損失は、センサの皮膚からの許容可能な分離を制限し、一般的に、屈折率不連続部における光損失が実質的に一定のままであるにもかかわらず、分離が増加するにつれてより多くの光出力を必要とする。さらに、エアギャップの存在は、周辺光が検出器に到達し、それによってSNRを低下させる手段をもたらす。イヤホン本体は、エアギャップをなくすためにサイズを大きくされ得る。しかし、硬質な本体と耳との接触は、長期使用後の痛みまたは痛みを含む着用者に不快感を引き起こし得る。検出された光信号のSNRは、光エネルギーを増加させることによって改善することができる。エミッタの光パワーを増加させると、装置のバッテリ寿命が短くなる可能性があり、さらに、センサがイヤホン本体の凹部にある場合、時間の経過と共に塵が集まり、汗から耳の蝋または塩分が凹部に集積する可能性がある。その結果、光信号伝送が減少し得る。 Light loss due to the transmission of light through the air limits the acceptable separation of the sensor from the skin and, in general, despite the light loss at the refractive index discontinuity remains substantially constant. As separation increases, more light output is required. Furthermore, the presence of an air gap provides a means for ambient light to reach the detector, thereby reducing the SNR. The earphone body can be increased in size to eliminate the air gap. However, contact between the rigid body and the ear can cause discomfort to the wearer, including pain or pain after prolonged use. The SNR of the detected optical signal can be improved by increasing the optical energy. Increasing the light power of the emitter can shorten the battery life of the device, and if the sensor is in a recess in the earphone body, dust will collect over time and ear wax or salt from the sweat will be recessed. May accumulate. As a result, optical signal transmission can be reduced.
イヤーチップは、周囲環境から外耳道を密閉し、耳に対してイヤホンの位置を安定させるためにイヤホンと共に使用されることがある。イヤーチップの開口部は音響エネルギーを内耳に通し、一方、イヤーチップと外耳道との間の接触シールは、着用者が聞こえる背景音響ノイズの低減または除去に役立つ。イヤーチップは、通常、複雑な耳の形状及び外耳道に適合し得るシリコーンなどの軟質ポリマーを含む、快適に着用できる材料から形成される。 Eartips are sometimes used with earphones to seal the ear canal from the surrounding environment and stabilize the position of the earphones relative to the ears. The ear tip opening passes acoustic energy through the inner ear, while the contact seal between the ear tip and the ear canal helps to reduce or eliminate background acoustic noise heard by the wearer. Ear tips are typically formed from materials that can be worn comfortably, including soft polymers such as silicone that can fit in complex ear shapes and ear canals.
図1は、イヤーチップに使用することができる厚さ1.72mm及び厚さ3.35mmのサンプル(それぞれプロット10及び12)の半透明シリコーンの波長に対する光透過率を示す。可視スペクトル全体にわたり、及び約1150nmまでの近赤外(NIR)スペクトルにわたって、有意な変動のない高い透過率が観察される。シリコーンは、人間の組織との接触やイヤホンの使用者にとっての快適性のために安全性が認められている。しかし、可視スペクトル及びエミッタのスペクトルより下のNIR波長を含む広い透過スペクトルは、周辺光が検出器に到達し、心拍数センサのSNRを劣化させる。 FIG. 1 shows the light transmission versus wavelength of translucent silicone for 1.72 mm and 3.35 mm thick samples (plots 10 and 12, respectively) that can be used for ear tips. High transmission without significant variation is observed over the entire visible spectrum and over the near infrared (NIR) spectrum up to about 1150 nm. Silicone is recognized as safe for contact with human tissue and comfort for earphone users. However, a wide transmission spectrum that includes NIR wavelengths below the visible spectrum and the spectrum of the emitter causes ambient light to reach the detector, degrading the SNR of the heart rate sensor.
本明細書に記載の生理学的センサのためのライトガイドシステムの特定の例では、システムは、エミッタと光通信する光チャネルと、検出器と光通信する光チャネルと、を含む。光チャネルは、着色剤と混合された生体適合性の弾性プラスチック、例えばシリコーンで形成される。各光チャネルは、エミッタスペクトル帯域を通過させ、より短い波長でほとんどの光エネルギーを拒絶する光透過スペクトルを有する。着色剤は、液体中の懸濁液として提供される顔料であってもよい。あるいは、着色剤は、液体の形態で提供される染料であってもよい。いくつかの実施形態では、着色剤は、顔料の混合物、染料の混合物、または、少なくとも1つの染料及び少なくとも1つの顔料を有する混合物である。 In the particular example of a light guide system for a physiological sensor described herein, the system includes an optical channel in optical communication with the emitter and an optical channel in optical communication with the detector. The light channel is formed of a biocompatible elastic plastic, such as silicone, mixed with a colorant. Each optical channel has a light transmission spectrum that passes through the emitter spectral band and rejects most of the light energy at shorter wavelengths. The colorant may be a pigment provided as a suspension in a liquid. Alternatively, the colorant may be a dye provided in liquid form. In some embodiments, the colorant is a mixture of pigments, a mixture of dyes, or a mixture having at least one dye and at least one pigment.
実際、光透過スペクトルは、エミッタの光スペクトルの最短波長がロングパス光学フィルタの遷移波長よりも長いロングパス光学フィルタを規定する。本明細書で使用される「遷移波長」は、透過率が最大透過率の50%である広い透過率領域の最短波長を意味する。各光チャネルは、皮膚と接触するように構成され、それにより、空気を通す透過による光損失を低減または排除する。 In fact, the light transmission spectrum defines a long pass optical filter in which the shortest wavelength of the light spectrum of the emitter is longer than the transition wavelength of the long pass optical filter. As used herein, “transition wavelength” means the shortest wavelength in a wide transmittance region where the transmittance is 50% of the maximum transmittance. Each light channel is configured to contact the skin, thereby reducing or eliminating light loss due to transmission through air.
別の例では、エミッタは、レーザダイオードなどの狭帯域光源であってもよい。上述したように、光チャネルは、エミッタスペクトル帯域を通過させ、より短い波長でほとんどの光エネルギーを排除する光透過スペクトルを有することができる。あるいは、光チャネルは、狭いレーザダイオードスペクトル帯域を通過させ、エミッタのスペクトル帯域の下及び上の波長で光エネルギーの大部分を排除する狭帯域光透過スペクトルを有し得る。 In another example, the emitter may be a narrow band light source such as a laser diode. As described above, the optical channel can have a light transmission spectrum that passes through the emitter spectral band and eliminates most of the light energy at shorter wavelengths. Alternatively, the optical channel may have a narrow band optical transmission spectrum that passes through a narrow laser diode spectral band and excludes most of the optical energy at wavelengths below and above the emitter spectral band.
ロングパス光学フィルタ特性を有する光チャネルのための特定の非限定的な例として、図2は、シリコーンと2%の顔料濃度のLumogen(登録商標)Black 4280顔料(ノースカロライナ州シャーロットのBASF Corporationから入手可能)との混合材の光透過特性を示す。混合された材料は、各光チャネルのための適切な材料として使用あれ得る。プロット20,22,24及び26は、それぞれ0.45mm、0.85mm、1.66mm及び3.31mmの厚さの混合シリコーンサンプルを表す。全ての厚さについて、対応する遷移波長は、光学的に基づく心拍数モニタ用の典型的なエミッタのスペクトル帯域の最短波長よりも小さい。例えば、LEDエミッタは、約900nmの中心波長と、約40nmの全幅半値(FWHM)スペクトル帯域幅とを有し得る。この例では、880nmに近いが880nm未満の遷移波長を有する光透過スペクトルが周囲光の最大の排除に好ましい。 As a specific, non-limiting example for an optical channel with long pass optical filter characteristics, FIG. 2 is a silicone and 2% pigment concentration Lumogen® Black 4280 pigment (available from BASF Corporation of Charlotte, NC) ) Shows the light transmission characteristics of the mixed material. The mixed material can be used as a suitable material for each optical channel. Plots 20, 22, 24, and 26 represent mixed silicone samples with thicknesses of 0.45 mm, 0.85 mm, 1.66 mm, and 3.31 mm, respectively. For all thicknesses, the corresponding transition wavelength is less than the shortest wavelength in the spectral band of a typical emitter for an optically based heart rate monitor. For example, the LED emitter may have a center wavelength of about 900 nm and a full width half maximum (FWHM) spectral bandwidth of about 40 nm. In this example, a light transmission spectrum with a transition wavelength close to 880 nm but less than 880 nm is preferred for maximum exclusion of ambient light.
1つの技術において、着色剤は、液体シリコーンゴム(LSR)とゲル形態で混合された液体として提供される。混合物を金型に注入して、所望の形状を有する弾力性のあるシリコーン体を形成する。得られた光チャネルは、イヤホン用のイヤーチップのようなより大きな一体成型体に成形され得る。生理学的センサのためのライトガイドシステムの他の実施態様では、プラスチック材料の光透過スペクトルがエミッタの光エネルギーを通過し、周囲光を実質的に遮断する限り、他の生体適合性の弾性プラスチックが光チャネルに使用される。従って、種々の顔料及び染料を種々のプラスチック材料と混合して所望の光透過スペクトルを達成し得る。 In one technique, the colorant is provided as a liquid mixed in gel form with liquid silicone rubber (LSR). The mixture is poured into a mold to form a resilient silicone body having the desired shape. The resulting optical channel can be formed into a larger integral body such as an ear tip for an earphone. In another embodiment of a light guide system for physiological sensors, other biocompatible elastic plastics may be used as long as the light transmission spectrum of the plastic material passes through the light energy of the emitter and substantially blocks ambient light. Used for optical channels. Accordingly, various pigments and dyes can be mixed with various plastic materials to achieve the desired light transmission spectrum.
様々な実施形態において、生理学的センサは、イヤホンの内部または上に配置された心拍数センサである。より具体的には、イヤホンの本体はセンサ本体として機能し、センサはエミッタ及び検出器を含む。 In various embodiments, the physiological sensor is a heart rate sensor disposed within or on the earphone. More specifically, the main body of the earphone functions as a sensor main body, and the sensor includes an emitter and a detector.
様々な例において、光チャネルは、イヤホン本体に取り付けられ、イヤホン本体から取り外されることができるイヤーチップの一部品として形成される。イヤーチップが取り付けられると、光チャネルの1つはエミッタ上に位置し、もう1つの光チャネルは検出器上に位置する。各光チャネルの断面積は、エミッタ及び検出器の活性領域の寸法に応じて選択され得る。以下に説明されるいくつかの例では、1つ以上のエミッタから光を伝搬するために2つ以上の光チャネルが使用され、及び/または1つ以上の検出器に光を提供するために1つ以上の光チャネルが使用される。 In various examples, the optical channel is formed as a part of an ear tip that can be attached to and removed from the earphone body. When the eartip is attached, one of the light channels is located on the emitter and the other light channel is located on the detector. The cross-sectional area of each optical channel can be selected depending on the dimensions of the active region of the emitter and detector. In some examples described below, two or more optical channels are used to propagate light from one or more emitters and / or 1 to provide light to one or more detectors. More than one optical channel is used.
図3は、イヤホン本体に配置された光心拍数センサのための左イヤーチップ50の側面図である。イヤーチップ本体33は、可視及び近赤外線スペクトルにおいて不透明になるように修正されたシリコーンなどの弾性プラスチックで形成される。イヤーチップ本体33から延在する位置決め保持構造34は、外耳道に対して静止位置にあるイヤーチップ本体33に取り付けられたイヤホンを維持する手段を形成する。位置決め保持構造34は、硬質プラスチックから形成され得、または、イヤーチップ本体33と同じ弾性プラスチックで形成されてもよく、透明であっても不透明であってもよい。イヤーチップ本体33を貫通する開口36は、取り付けられたイヤホンによって生成された音響信号が外耳道に伝播する手段を形成する。1対の光チャネル38及び40が、イヤーチップ30の上部に配置されている。光チャネル38及び40は、光透過スペクトルを有する弾性プラスチックで形成され、エミッタからの光エネルギーがイヤーチップ30を通過して、耳の照射された領域から後方散乱された光エネルギーが、イヤーチップ50を通過して検出器に到達することを可能にする。イヤーチップ50の本体33がイヤホンに取り付けられると、一方の光チャネル38の後端部(図示せず)は、エミッタ上に配置された保護透明カバーと接触するように構成される。同様に、他方の光チャネル40の後端部は、検出器の上に配置された保護カバーと接触するように構成される。図示されているように、イヤーチップ本体33の部分46は、2つの光チャネル38及び40との間に位置する。この不透明部分46は、エミッタからの光が検出器への直接光路を有することを防止する。 FIG. 3 is a side view of the left ear tip 50 for the optical heart rate sensor arranged in the earphone main body. The ear tip body 33 is formed of an elastic plastic such as silicone modified to be opaque in the visible and near infrared spectrum. A positioning and holding structure 34 extending from the ear tip body 33 forms a means for maintaining the earphone attached to the ear tip body 33 in a stationary position relative to the ear canal. The positioning and holding structure 34 may be formed of a hard plastic, or may be formed of the same elastic plastic as the ear tip body 33, and may be transparent or opaque. The opening 36 penetrating the ear tip body 33 forms a means for the acoustic signal generated by the attached earphone to propagate to the ear canal. A pair of optical channels 38 and 40 are disposed on the top of the ear tip 30. The optical channels 38 and 40 are formed of an elastic plastic having a light transmission spectrum, and light energy from the emitter passes through the ear tip 30 and light energy back-scattered from the irradiated region of the ear is the ear tip 50. To reach the detector. When the body 33 of the ear chip 50 is attached to the earphone, the rear end (not shown) of one light channel 38 is configured to contact a protective transparent cover disposed on the emitter. Similarly, the rear end of the other optical channel 40 is configured to contact a protective cover disposed on the detector. As shown, the portion 46 of the ear tip body 33 is located between the two optical channels 38 and 40. This opaque portion 46 prevents light from the emitter from having a direct optical path to the detector.
図4及び図5は、イヤホン本体内の光心拍数センサのための左イヤーチップ60及び右イヤーチップ70の例の斜視図である。イヤーチップ60及び70は、図1に示す左のイヤーチップ50と同様の形状であるが、光チャネル38及び40は、それぞれ、イヤーチップ本体33及び32上の異なる位置にある。特に、図4は、位置決め保持構造34に対して音響開口36の反対側に位置する光チャネル38及び40を示す。図5は、垂直に分離され、音響開口36と位置決め保持構造34との間に位置する光チャネル38及び40を示す。図示した両方の例では、2つの光チャネル38及び40の露出端部は、ヒトの耳の近傍の構造との接触のために構成される。 4 and 5 are perspective views of examples of the left ear tip 60 and the right ear tip 70 for the optical heart rate sensor in the earphone main body. The ear tips 60 and 70 have the same shape as the left ear tip 50 shown in FIG. 1, but the optical channels 38 and 40 are at different positions on the ear tip bodies 33 and 32, respectively. In particular, FIG. 4 shows light channels 38 and 40 located opposite the acoustic aperture 36 relative to the positioning and retaining structure 34. FIG. 5 shows optical channels 38 and 40 that are vertically separated and located between the acoustic aperture 36 and the positioning and holding structure 34. In both illustrated examples, the exposed ends of the two light channels 38 and 40 are configured for contact with structures near the human ear.
図6は、右イヤーチップ30の別の例の斜視図である。2つの光チャネル38及び40は、イヤーチップ本体32の底部に配置され、イヤーチップ本体32の部分46によって分離される。 FIG. 6 is a perspective view of another example of the right ear tip 30. The two optical channels 38 and 40 are located at the bottom of the ear tip body 32 and are separated by a portion 46 of the ear tip body 32.
図7は、光チャネル38及び40が位置決め及び保持構造34内にどのように配置されているかを示すために、位置決め及び保持構造34が切り取り図として示されている右イヤーチップ80の別の例の斜視図である。エミッタ及び検出器(図示せず)は、それぞれ、光チャネル38及び40の各々の1つの端部42または44にほぼ隣接して配置される。光チャネル38及び40は、エミッタからの光が耳の対輪の一部を照射するように配置される。 FIG. 7 shows another example of a right ear tip 80 in which the positioning and holding structure 34 is shown as a cutaway view to illustrate how the light channels 38 and 40 are positioned within the positioning and holding structure 34. FIG. An emitter and detector (not shown) are disposed substantially adjacent one end 42 or 44 of each of the optical channels 38 and 40, respectively. The light channels 38 and 40 are positioned such that light from the emitter illuminates a portion of the ear ring.
図8は、右イヤーチップ90の別の例の斜視図である。この例では、位置決め保持構造48は、イヤホン本体52に取り付けられた別個の要素である。位置決め及び保持構造の取り外し可能な形態は、上述のいずれの例でも使用され得る。図の第3の要素は、イヤホン本体52に取り付けられた傘型のイヤーチップ54であり、これは上述のいずれの例でも使用され得る。この例では、光チャネル38及び40は、イヤホン本体52内に配置され、本体表面までまたはそれを超えて延在し得る。製造のために、光チャネル38及び40は、個々のプラグとして形成することができ、各プラグは、イヤホン本体52の開口部に挿入される。代替の例では、2つの光チャネル56及び58は、ブリッジ部分62によって単一の要素内において一端で共に結合される。好ましくは、ブリッジ部分62は、エミッタの光スペクトルに対して不透明になる顔料または染料で選択的に形成され、これにより、エミッタから検出器への直接光路を排除する。 FIG. 8 is a perspective view of another example of the right ear tip 90. In this example, the positioning and holding structure 48 is a separate element attached to the earphone main body 52. The removable form of the positioning and holding structure can be used in any of the examples described above. The third element in the figure is an umbrella-type eartip 54 attached to the earphone body 52, which can be used in any of the examples described above. In this example, the light channels 38 and 40 are disposed within the earphone body 52 and may extend to or beyond the body surface. For manufacturing, the optical channels 38 and 40 can be formed as individual plugs, each plug being inserted into an opening in the earphone body 52. In an alternative example, the two optical channels 56 and 58 are coupled together at one end within a single element by a bridge portion 62. Preferably, the bridge portion 62 is selectively formed with a pigment or dye that becomes opaque to the light spectrum of the emitter, thereby eliminating the direct optical path from the emitter to the detector.
図9A〜9Fは、様々な実施形態に従って使用され得る多数の光チャネル構成の端面図を示す。 9A-9F show end views of multiple optical channel configurations that can be used in accordance with various embodiments.
図9Aは、エミッタと検出器との間のクロストークが重要でない場合に使用され得る単一の光チャネル64を示す。好ましくは、エミッタと検出器との間の分離は、クロストークを低減するために他の実施形態と比較して増加される。このバリエーションの延長線上で、イヤーチップ全体は製造を用意にするためにロングパスシリコーンで作られる。別の変形例では、単一の光チャネルの中央部分を不透明で作られ、これにより、単一の部分が2つの独立した光チャネルとして機能し得る。あるいは、イヤーチップ全体がロングパス染色シリコーンで作られている場合、エミッタ及び検出器の光路を分離する領域を不透明にして、クロストークを低減または排除することができる。 FIG. 9A shows a single optical channel 64 that may be used when crosstalk between the emitter and detector is not critical. Preferably, the separation between the emitter and the detector is increased compared to other embodiments to reduce crosstalk. On an extension of this variation, the entire ear tip is made of long pass silicone to prepare for manufacture. In another variation, the central portion of a single light channel is made opaque, so that the single portion can function as two independent light channels. Alternatively, if the entire ear tip is made of long pass dyed silicone, the area separating the emitter and detector optical paths can be made opaque to reduce or eliminate crosstalk.
図9Bは、様々な実施例について上述したように、2つの光チャネル38及び40の分離を示す。 FIG. 9B illustrates the separation of the two optical channels 38 and 40 as described above for the various embodiments.
図9C、図9D及び図9Eは、中央光チャネル66を囲む複数の光チャネル68を有するエミッタとの光通信に適合し、1つまたは複数の検出器との光通信に適合した中央光チャネル66を示す。 9C, 9D and 9E are adapted for optical communication with an emitter having a plurality of optical channels 68 surrounding the central optical channel 66, and are adapted for optical communication with one or more detectors. Indicates.
図9Fは、複数のエミッタと光通信するように構成された光チャネル66の群72と、複数の検出器と光通信するように構成された光チャネル68の第2の群74と、を示す。光チャネル66の図示された群は、複雑な形状を有するイヤーチップへの実施に有利であり得る。いくつかの実施形態では、染料や顔料がより少ない材料が使用される。他の実施形態では、グループ化により、情報の平均化または取得され平均化される複数の測定を可能にする。 FIG. 9F shows a group 72 of optical channels 66 configured to be in optical communication with a plurality of emitters and a second group 74 of optical channels 68 configured to be in optical communication with a plurality of detectors. . The illustrated group of optical channels 66 may be advantageous for implementation on ear tips having complex shapes. In some embodiments, materials with fewer dyes and pigments are used. In other embodiments, grouping allows multiple measurements to be averaged or acquired and averaged.
上述の様々な例は、イヤホンのためのイヤーチップに関する。図10は、シリコーン底層84上に腕時計ケース本体82が配置された腕時計ケース80の一例を示している。上述した例の光チャネルと同様の通過特性を有する2つの光チャネル86及び88は、層84を含み、腕時計ケース本体82内に配置された心拍数モニタのような光学生理学的センサと組み合わせて使用される。 The various examples described above relate to ear tips for earphones. FIG. 10 shows an example of a watch case 80 in which a watch case body 82 is disposed on the silicone bottom layer 84. Two optical channels 86 and 88 having similar transmission characteristics as the optical channel of the example described above include a layer 84 and are used in combination with an optical physiological sensor such as a heart rate monitor disposed within the watch case body 82. Is done.
図11は、シリコーン底層94を備えたバンド本体92を含むリストバンド90(例えば、腕時計バンド)の例を示す。図2の腕時計ケース80に示されたものと同様の2つの光チャネル86及び88。図10に示されているように、バンド本体92内またはバンド本体92上に配置された光学式生理学的センサから放出された光学的エネルギーの通過を可能にする。 FIG. 11 shows an example of a wristband 90 (eg, a watchband) that includes a band body 92 with a silicone bottom layer 94. Two optical channels 86 and 88 similar to those shown in the watch case 80 of FIG. As shown in FIG. 10, it allows the passage of optical energy emitted from an optical physiological sensor located in or on the band body 92.
一般に、本明細書に記載の原理による生理学的センサのためのライトガイドシステムは、改善された性能を可能にし、着用者の快適性を提供する。いくつかの実施例及び例が説明されてきた。それにもかかわらず、本明細書に記載された原理から逸脱することなく、追加の改変がなされ得ることが理解されるであろう。例えば、光チャネルのサイズ、位置及び数は、様々な実装形態において上述したものとは異なり得る。 In general, light guide systems for physiological sensors according to the principles described herein allow for improved performance and provide wearer comfort. Several embodiments and examples have been described. Nevertheless, it will be understood that additional modifications may be made without departing from the principles described herein. For example, the size, location, and number of optical channels may differ from those described above in various implementations.
30 イヤーチップ
32 イヤーチップ本体
33 イヤーチップ本体
34 保持構造
36 音響開口
38 光チャネル
40 光チャネル
42 端部
44 端部
46 不透明部分
48 保持構造
50 左イヤーチップ
52 イヤホン本体
54 イヤーチップ
56 光チャネル
58 光チャネル
60 左イヤーチップ
62 ブリッジ部分
64 光チャネル
66 光チャネル
68 光チャネル
70 右イヤーチップ
72 群
74 第2の群
80 腕時計ケース
82 腕時計ケース本体
84 シリコーン底層
86 光チャネル
88 光チャネル
90 リストバンド
92 バンド本体
94 シリコーン底層
30 Ear chip 32 Ear chip body 33 Ear chip body 34 Holding structure 36 Acoustic aperture 38 Optical channel 40 Optical channel 42 End 44 End 46 Opaque portion 48 Holding structure 50 Left ear chip 52 Earphone main body 54 Ear chip 56 Optical channel 58 Light Channel 60 Left ear tip 62 Bridge portion 64 Optical channel 66 Optical channel 68 Optical channel 70 Right ear tip 72 Group 74 Second group 80 Watch case 82 Watch case body 84 Silicone bottom layer 86 Optical channel 88 Optical channel 90 Wrist band 92 Band body 94 Silicone bottom layer
Claims (24)
前記センサ本体に配置され、着用者の皮膚に光ビームを照射するように構成されたエミッタと、
前記センサ本体に配置され、前記着用者の照射された皮膚から光エネルギーを受け取り、受け取った光エネルギーに応答して電気信号を生成するように構成された検出器と、
前記電気信号に応答して前記着用者の生理学的データを決定するように構成されたプロセッサと、
生体適合性プラスチックで形成され、かつ、前記着用者の皮膚と接触するようにそれぞれ構成された一対の光チャネルであって、前記光チャネルの1つが前記エミッタと光学的に連通しており、他の前記光チャネルが前記検出器と光学的に連通しており、前記生体適合性プラスチックは、エミッタの光エネルギーを透過し、周囲光を実質的に遮断する光透過スペクトルを有する、一対の光チャネルと、
を備えることを特徴とする生理学的センサ。 A sensor body;
An emitter disposed in the sensor body and configured to irradiate the wearer's skin with a light beam;
A detector disposed on the sensor body and configured to receive light energy from the irradiated skin of the wearer and to generate an electrical signal in response to the received light energy;
A processor configured to determine physiological data of the wearer in response to the electrical signal;
A pair of optical channels formed of biocompatible plastic and each configured to contact the wearer's skin, wherein one of the optical channels is in optical communication with the emitter; of which the optical channels in optical communication with the said detector, the biocompatible plastic may transmit light energy emitter has a light transmission spectrum for blocking ambient light substantially a pair of optical channel When,
A physiological sensor comprising:
着用者の皮膚に光ビームを照射するように構成されたエミッタと、
着用者の照射された皮膚から光エネルギーを受け取り、受け取った光エネルギーに応じて電気信号を生成するように構成された検出器と、
イヤーチップ本体と、イヤーチップボウルに一体成形された一対の光チャネルと、を有するイヤーチップであって、前記光チャネルそれぞれは生体適合性プラスチックで形成され、かつ、着用者の皮膚と接触するように構成され、前記光チャネルの1つは、前記エミッタと光学的に連通しており、他方の前記光チャネルは、前記検出器と光学的に連通しており、前記生体適合性プラスチックは、前記エミッタの光エネルギーを透過し、かつ、周囲光を実質的に遮断する光透過スペクトルを有する、イヤーチップと、
を備えることを特徴とするライトガイドシステム。 A light guide system for a physiological sensor,
An emitter configured to irradiate the wearer's skin with a light beam;
A detector configured to receive light energy from the irradiated skin of the wearer and generate an electrical signal in response to the received light energy;
An ear tip having an ear tip body and a pair of optical channels integrally formed in an ear tip bowl, each of the optical channels being formed of a biocompatible plastic and in contact with the wearer's skin is configured, one of said light channel, said has emitter and in optical communication with, the other of the optical channel, the detector and the optically are communicated, the biocompatible plastic, wherein An ear tip having a light transmission spectrum that transmits light energy of the emitter and substantially blocks ambient light ;
A light guide system, characterized in that it comprises a.
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